一种碳纤维壳体换能器的制作方法

本发明属于换能器，具体涉及一种碳纤维壳体换能器。

背景技术：

1、常规的弯张换能器中，压电晶堆在粘接后其长度并不一致，需要通过改变过渡块中与压电晶堆配合的凹槽深度，使压电晶堆与过渡块的组合结构的长度满足换能器装配所需的过盈量要求。这种装配方式存在的问题是在长度测量及过渡块加工过程中，会引入新的误差，并且过渡块与壳体之间的配合受加工精度的影响较大。

2、双晶堆弯张换能器中，压电晶堆在粘接后其长度并不一致，需要通过改变过渡块中与压电晶堆配合的凹槽深度，使压电晶堆与过渡块的组合结构中两过渡块与换能器壳体配合的表面平行，从而使壳体在两压电晶堆上施加的预应力相等。这种装配方式存在的问题是在长度测量及过渡块加工过程中，会引入新的误差，并且过渡块与壳体之间的配合受加工精度的影响较大。

3、而碳纤维材料具有很小的热膨胀系数，在壳体固化收缩时其尺寸变化很微小。单束碳纤维丝束可承受的拉力较小，在压电振子外围缠绕碳纤维时施加在压电振子上的压力很小。因此直接在压电振子外部直接缠绕碳纤维壳体，碳纤维壳体不能为压电振子提供足够大的预应力。且碳纤维复合材料具有高强度、低密度的特点，取代换能器中金属壳体，可降低换能器的质量。

4、目前已有的碳纤维壳体弯张换能器技术方案与金属壳体弯张换能器相同，先采用模具单独制作碳纤维换能器壳体，再通过在椭圆壳体壳体短轴方向上加力使碳纤维壳体长轴伸长，将压电振子和过渡块放入碳纤维壳体内部后，去除碳纤维壳体上的外加力，使碳纤维壳体长轴收缩，通过壳体长轴方向的收缩力在压电振子上施加预应力。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种碳纤维壳体可以直接在换能器壳体区域缠绕固化，利用碳纤维材料低密度、高强度的优点，在不影响换能器壳体强度的同时，降低了换能器的重量，同时，直接在压电振子表面堆叠碳纤维材料形成壳体，避免了加工过程中壳体内壁两侧距离的误差，简化了换能器常规装配流程中先加工壳体及压电振子，再根据二者的尺寸再加工过渡块的流程，缩短了换能器装配工序，提升了换能器生产效率的碳纤维壳体换能器。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种碳纤维壳体换能器，包括碳纤维壳体、设置在碳纤维壳体内部的一对t型拉紧块以及配合t型拉紧块的过渡块、压电振子、活动顶块、顶块、螺杆、螺母，每个t型拉紧块两侧分别依次连接了活动顶块、顶块、压电振子和过渡块，t型拉紧块的中心处为孔，两t型拉紧块尾部相对，螺杆及螺母将两t型拉紧块夹紧，驱使顶块向外运动，从而在换能器内部施加预应力。

3、优选地，所述过渡块上设有曲面用于与碳纤维壳体内壁相配合，所述碳纤维壳体固化粘接在过渡块上，所述过渡块的曲面相对的平面为与压电振子连接的区域，平面上具有两个方形的凹槽，凹槽的大小与压电振子的截面相当，压电振子一端嵌入到凹槽内，凹槽的深度小于铝片的厚度。

4、优选地，所述过渡块的长度长于碳纤维壳体的高度，过渡块的两端有通孔，通孔在曲面一侧直径大，平面一侧直径小，使对应的螺栓完全进入过渡块内。

5、优选地，所述压电振子由端部的铝片和中间的压电陶瓷片及电极片构成，端部的铝片用于保护中部脆性的压电陶瓷片；压电陶瓷片与电极片交替排列，并且与铝片相邻的均为压电陶瓷片，相邻的压电陶瓷片极化方向相反，相邻的电极片缺口位置错开，方便分别与正极及负极相连；压电陶瓷片极化方向排布及电极片正负极接线的安排，使所有压电陶瓷片处于电学并联的状态。

6、优选地，t型拉紧块、活动顶块、螺杆、顶紧螺栓、顶块、定位块构成预应力施加结构，顶块为直角梯形，截面中底边较大的侧面与定位块相连，顶块斜面的对侧面挖有凹槽，凹槽的大小与压电振子的截面相当，压电振子一端嵌入到凹槽内，凹槽的深度小于铝片的厚度。

7、优选地，所述定位块为方块结构，用于限制活动顶块在碳纤维壳体高度方向上的位移，定位块和顶块接触的面上分别有金属凸台和凹槽，保证顶块内部结构不会在换能器短轴方向上发生错位。

8、优选地，t型拉紧块位于换能器中央，“t”字横梁沿碳纤维壳体长轴方向延伸，“t”字支柱沿碳纤维壳体高度方向延伸，横梁位于碳纤维壳体开口两端；活动顶块斜面对侧的平面与t型拉紧块支柱相连，二者接触的面上分别有金属凸台和凹槽，保证二者不会在换能器短轴方向上发生错位；顶紧螺栓通过t型拉紧块上的螺纹孔顶在活动顶块上，用于调整活动顶块在碳纤维壳体高度方向上位置。

9、优选地，碳纤维壳体包含拉紧块、曲面盖板、定位销，拉紧块通过螺栓和通孔配合，将使过渡块夹紧拉紧块，曲面盖板沿壳体短轴方向分布于拉紧块的两侧，并且曲面朝向外侧，曲面盖板通过定位销固定。

10、优选地，该换能器还包括一水密结构，所述水密结构包含底盖板、中盖板、上盖板、螺纹杆、螺母、碳纤维电子舱；碳纤维电子舱由两根碳纤维椭圆管构成，该两根碳纤维椭圆管是加工好的碳纤维壳体切除掉的端部，端部粘接后作为换能器的电子舱，内部放置了换能器的匹配电路板，底盖板为椭圆形碳纤维板，中间区域有四个通孔，通孔位于长方形的四个顶点上，中盖板中央有一圆形通孔，该圆形通孔是用于将压电振子上的导线穿入碳纤维电子舱的，中央凸台用于安装水密接插件，螺纹杆和螺母配合，将底盖板、中盖板、上盖板夹紧，匹配电路板也通过螺纹杆和螺母固定，底盖板和中盖板与换能器壳体之间垫有隔振垫。

11、优选地，碳纤维壳体由碳纤维丝束及树脂基体组成，过渡块为铝、钢或者其他金属材料，电极片为铜或铜合金材料。

12、本发明的有益效果如下：本发明在换能器内部结构外层缠绕成型碳纤维壳体，有效降低了换能器的重量；通过内部结构补偿了压电晶堆粘接过程中产生的误差，碳纤维壳体直接缠绕固化在内部外侧，壳体成型后后再施加预应力等工艺过程，提高了换能器内部结构的结合紧密度，有利于振动的传递直接，使壳体与内部结构的连接更加紧密；换能器内部含有预应力施加结构，可在碳纤维壳体缠绕成形后再往压电振子上施加预应力，克服了碳纤维壳体缠绕固化过程中无法产生足够预应力的问题。

技术特征：

1.一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，包括碳纤维壳体(1)、设置在碳纤维壳体(1)内部的一对t型拉紧块(7)以及配合t型拉紧块(7)的过渡块(2)、压电振子(3)、活动顶块(6)、顶块(9)、螺杆(10)、螺母(24)，每个t型拉紧块(7)两侧分别依次连接了活动顶块(6)、顶块(9)、压电振子(3)和过渡块(2)，t型拉紧块(7)的中心处为孔，两t型拉紧块(7)尾部相对，螺杆(10)及螺母(24)将两t型拉紧块(7)夹紧，驱使顶块(9)向外运动，从而在换能器内部施加预应力。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，所述过渡块(2)上设有曲面用于与碳纤维壳体(1)内壁相配合，所述碳纤维壳体(1)固化粘接在过渡块(2)上，所述过渡块(2)的曲面相对的平面为与压电振子(3)连接的区域，平面上具有两个方形的凹槽，凹槽的大小与压电振子(3)的截面相当，压电振子(3)一端嵌入到凹槽内，凹槽的深度小于铝片的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，所述过渡块(2)的长度长于碳纤维壳体(1)的高度，过渡块(2的两端有通孔(26，通孔(26在曲面一侧直径大，平面一侧直径小，使对应的螺栓完全进入过渡块(2)内。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，所述压电振子(3)由端部的铝片(4)和中间的压电陶瓷片(5)及电极片(11)构成，端部的铝片(4)用于保护中部脆性的压电陶瓷片(5)；压电陶瓷片(5)与电极片(11)交替排列，并且与铝片(4)相邻的均为压电陶瓷片(5)，相邻的压电陶瓷片(5)极化方向相反，相邻的电极片(11)缺口位置错开，方便分别与正极及负极相连；压电陶瓷片(5)极化方向排布及电极片(11)正负极接线的安排，使所有压电陶瓷片(5)处于电学并联的状态。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，t型拉紧块(7)、活动顶块(6)、螺杆(10)、顶紧螺栓(25)、顶块(9)、定位块(27)构成预应力施加结构，顶块(9)为直角梯形，截面中底边较大的侧面与定位块(27)相连，顶块(9)斜面的对侧面挖有凹槽，凹槽的大小与压电振子的截面相当，压电振子(3)一端嵌入到凹槽内，凹槽的深度小于铝片(4)的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，所述定位块(27为方块结构，用于限制活动顶块(6)在碳纤维壳体(1)高度方向上的位移，定位块(27)和顶块(9)接触的面上分别有金属凸台和凹槽，保证顶块(9)内部结构不会在换能器短轴方向上发生错位。

7.根据权利要求5所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，t型拉紧块(7)位于换能器中央，“t”字横梁沿碳纤维壳体(1)长轴方向延伸，“t”字支柱沿碳纤维壳体(1)高度方向延伸，横梁位于碳纤维壳体(1)开口两端；活动顶块(6)斜面对侧的平面与t型拉紧块(7)支柱相连，二者接触的面上分别有金属凸台和凹槽，保证二者不会在换能器短轴方向上发生错位；顶紧螺栓(25)通过t型拉紧块(7)上的螺纹孔顶在活动顶块(6)上，用于调整活动顶块(6)在碳纤维壳体(1)高度方向上位置。

8.根据权利要求1所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，碳纤维壳体(1)包含拉紧块(23)、曲面盖板(27)、定位销(28)，拉紧块通过螺栓和通孔(26)配合，将使过渡块(2)夹紧拉紧块(23)，曲面盖板(27)沿壳体短轴方向分布于拉紧块的两侧，并且曲面朝向外侧，曲面盖板(27)通过定位销(28)固定。

9.根据权利要求1所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，该换能器还包括一水密结构，所述水密结构包含底盖板(13)、中盖板(14)、上盖板(18)、螺纹杆(19)、螺母(20)、碳纤维电子舱(29)；碳纤维电子舱(29)由两根碳纤维椭圆管(15)构成，该两根碳纤维椭圆管(15)是加工好的碳纤维壳体切除掉的端部，端部粘接后作为换能器的电子舱，内部放置了换能器的匹配电路板(16)，底盖板(13)为椭圆形碳纤维板，中间区域有四个通孔，通孔位于长方形的四个顶点上，中盖板(14)中央有一圆形通孔(21)，该圆形通孔(21)是用于将压电振子(3)上的导线穿入碳纤维电子舱(29)的，中央凸台(22)用于安装水密接插件，螺纹杆(19)和螺母(20)配合，将底盖板、中盖板、上盖板夹紧，匹配电路板也通过螺纹杆(19)和螺母(17)固定，底盖板(13)和中盖板(14)与换能器壳体之间垫有隔振垫(12)。

10.根据权利要求5所述的一种碳纤维壳体换能器，其特征在于，碳纤维壳体(1)由碳纤维丝束及树脂基体组成，过渡块(2)为铝、钢或者其他金属材料，电极片(11)为铜或铜合金材料。

技术总结本发明公开了一种碳纤维壳体换能器，包括碳纤维壳体、设置在碳纤维壳体内部的一对T型拉紧块以及配合T型拉紧块的过渡块、压电振子、活动顶块、顶块、螺杆、螺母，每个T型拉紧块两侧分别依次连接了活动顶块、顶块、压电振子和过渡块，T型拉紧块的中心处为孔，两T型拉紧块尾部相对，螺杆及螺母将两T型拉紧块夹紧，驱使顶块向外运动，从而在换能器内部施加预应力。本发明利用碳纤维材料低密度、高强度的优点，在不影响换能器壳体强度的同时，降低了换能器的重量，避免了加工过程中壳体内壁两侧距离的误差，简化了换能器常规装配流程中先加工壳体及压电振子，根据二者的尺寸再加工过渡块的流程，缩短了换能器装配工序，提升了换能器生产效率。技术研发人员：高伟,鲁玉波,张会超,廖雪荣,许欣然受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所技术研发日：技术公布日：2024/7/18